KR20210045157A - Fuel cell - Google Patents

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KR20210045157A
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백석민
허용석
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현대자동차주식회사
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Abstract

The present invention relates to a fuel cell with excellent stack performance and airtightness and, more specifically, to a fuel cell comprising: a cell stack in which a plurality of unit cells are stacked in a first direction; first and second end plates respectively disposed on both ends of the cell stack; at least one fastening member coupled to the first and second end plates to fasten the plurality of unit cells in the first direction and generate heat in response to a control signal; and a control unit generating the control signal according to the temperature of the cell stack.

Description

연료 전지{Fuel cell}Fuel cell

실시 예는 연료 전지에 관한 것이다.The embodiment relates to a fuel cell.

일반적으로, 차량의 연료전지에서, 복수의 단위 셀 각각은 고분자 전해질막을 기준으로 한 쪽 면으로 공기를 공급받고 다른 쪽 면으로 수소(연료극, 수소)를 공급받아 전기를 생산하며, 이를 차량 시스템에 공급한다. 복수 개의 단위 셀을 적층한 셀 스택의 체결 장치로서 예를 들어, 엔드 플레이트 및 체결 바가 있다.In general, in a fuel cell of a vehicle, each of a plurality of unit cells generates electricity by receiving air from one side and hydrogen (fuel electrode, hydrogen) to the other side based on a polymer electrolyte membrane. Supply. As a fastening device for a cell stack in which a plurality of unit cells are stacked, for example, there are an end plate and a fastening bar.

이러한 셀 스택이 가동할 때의 온도에 따라, 셀 스택의 체결 면압이 불규칙하게 변하여 여러 가지 문제를 야기할 수 있어, 이를 개선시키기 위한 연구가 진행되고 있다.Depending on the temperature at which the cell stack is operated, the fastening surface pressure of the cell stack may change irregularly to cause various problems, and thus research to improve this may be conducted.

실시 예는 셀 스택의 온도 변화에도 불구하고 일정한 체결 면압을 유지할 수 있는 연료 전지를 제공한다.The embodiment provides a fuel cell capable of maintaining a constant fastening surface pressure despite a change in temperature of a cell stack.

실시 예에 의한 연료 전지는, 복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택; 상기 셀 스택의 양단부에 각각 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트; 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트와 결합하여 상기 복수의 단위 셀을 상기 제1 방향으로 체결하며, 제어 신호에 응답하여 발열하는 적어도 하나의 체결 부재; 및 상기 셀 스택의 온도에 따라 상기 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함할 수 있다.A fuel cell according to an embodiment includes a cell stack in which a plurality of unit cells are stacked in a first direction; First and second end plates respectively disposed at both ends of the cell stack; At least one fastening member coupled to the first and second end plates to fasten the plurality of unit cells in the first direction and generate heat in response to a control signal; And a control unit generating the control signal according to the temperature of the cell stack.

예를 들어, 상기 적어도 하나의 체결 부재는 체결 몸체; 상기 체결 몸체를 둘러싸도록 배치된 발열부; 및 상기 발열부를 둘러싸도록 배치된 단열부를 포함할 수 있다.For example, the at least one fastening member may include a fastening body; A heating unit disposed to surround the fastening body; And a heat insulating part disposed to surround the heating part.

예를 들어, 상기 체결 몸체는 금속 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 물질은 스틸, 알루미늄, 구리 또는 마그네슘 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.For example, the fastening body may include a metallic material. For example, the metallic material may include at least one of steel, aluminum, copper, or magnesium.

예를 들어, 상기 발열부는 상기 제1 방향에서 상기 제1 엔드 플레이트와 상기 제2 엔드 플레이트 사이에 배치될 수 있다.For example, the heating part may be disposed between the first end plate and the second end plate in the first direction.

예를 들어, 상기 발열부는 면상 또는 선상의 저항 패턴을 가질 수 있다.For example, the heating unit may have a planar or linear resistance pattern.

예를 들어, 상기 저항 패턴의 발열량은 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트로부터 멀어질수록 감소할 수 있다. 예를 들어, 상기 발열량의 감소는 선형적이거나 비선형적일 수 있다.For example, the amount of heat generated by the resistance pattern may decrease as the distance from the first and second end plates increases. For example, the reduction in the amount of heat generated may be linear or non-linear.

예를 들어, 상기 발열부는 상기 제1 방향으로 상기 셀 스택의 중앙 영역에 위치한 제1 발열 섹터; 및 상기 제1 방향으로 상기 제1 발열 섹터보다 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트에 더 가깝게 위치한 제2 발열 섹터를 포함하고, 상기 제2 발열 섹터의 발열량은 상기 제1 발열 섹터의 발열량보다 클 수 있다.For example, the heating unit may include a first heating sector located in a central area of the cell stack in the first direction; And a second heat generating sector located closer to the first and second end plates than the first heat generating sector in the first direction, wherein a heat amount of the second heat generating sector may be greater than a heat amount of the first heat generating sector. have.

예를 들어, 상기 발열부는 금속계 또는 세라믹계 소재를 포함할 수 있다.For example, the heating unit may include a metal-based or ceramic-based material.

예를 들어, 상기 발열부는 50Ω 내지 100Ω의 전기저항을 가질 수 있다.For example, the heating unit may have an electrical resistance of 50Ω to 100Ω.

예를 들어, 상기 발열부는 상기 셀 스택의 작동 전압이 250V 내지 400V일 때 400W 내지 1600W의 발열량을 가질 수 있다.For example, the heating unit may have a heating value of 400W to 1600W when the operating voltage of the cell stack is 250V to 400V.

예를 들어, 상기 발열부는 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 사이에서 상기 체결 몸체를 둘러싸는 발열 몸체; 및 상기 발열 몸체의 양단부에 각각 배치되어 상기 제어 신호와 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전원 연결부를 포함할 수 있다.For example, the heating unit may include a heating body surrounding the fastening body between the first and second end plates; And first and second power connections disposed at both ends of the heating body and electrically connected to the control signal.

예를 들어, 상기 단열부는 PI, PP 또는 우레탄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.For example, the heat insulating part may include at least one of PI, PP, or urethane.

예를 들어, 상기 연료 전지는 상기 발열 몸체와 상기 발열부 사이에 배치되어, 상기 발열부의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도 센서에서 감지된 온도를 이용하여 상기 제어 신호를 생성할 수 있다.For example, the fuel cell further includes a temperature sensor disposed between the heating body and the heating unit to sense a temperature of the heating unit, and the control unit uses the temperature sensed by the temperature sensor to provide the control signal Can be created.

예를 들어, 상기 제어부는 상기 셀 스택의 온도가 소정 온도 이상일 때, 아래와 같은 수학식을 만족하도록 상기 제어 신호를 생성할 수 있다.For example, when the temperature of the cell stack is equal to or higher than a predetermined temperature, the control unit may generate the control signal to satisfy the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, αC는 상기 셀 스택의 열 팽창 계수를 나타내고, TC는 상기 셀 스택의 상기 온도를 나타내고, TO는 상기 소정 온도를 나타내고, LC는 상기 셀 스택의 상기 제1 방향으로의 길이를 나타내고, αF는 상기 체결 몸체의 열 팽창 계수를 나타내고, TF는 상기 체결 몸체의 온도를 나타내고, LF는 상기 체결 몸체의 상기 제1 방향으로의 길이를 나타낸다. 예를 들어, 상기 소정 온도는 60℃일 수 있다.Here, α C represents the coefficient of thermal expansion of the cell stack, T C represents the temperature of the cell stack, T O represents the predetermined temperature, and L C represents the length of the cell stack in the first direction , Α F represents the coefficient of thermal expansion of the fastening body, T F represents the temperature of the fastening body, and L F represents the length of the fastening body in the first direction. For example, the predetermined temperature may be 60°C.

예를 들어, 상기 적어도 하나의 체결 부재는 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 이격되어 배치된 복수의 체결 부재를 포함하고, 상기 복수의 체결 부재 중에서, 평면상에서 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 상기 셀 스택의 중앙 영역에 배치된 체결 부재의 발열량은 상기 셀 스택의 주변 영역에 배치된 체결 부재의 발열량보다 클 수 있다.For example, the at least one fastening member includes a plurality of fastening members spaced apart from each other in a second direction crossing the first direction, and among the plurality of fastening members, crossing the first direction in a plane The heating value of the fastening member disposed in the central area of the cell stack in the second direction may be greater than the heating value of the fastening member disposed in the peripheral area of the cell stack.

실시 예에 따른 연료 전지는 셀 스택이 고온에서 운전하는 고온 운전 조건에서, 반응 셀의 길이가 증가한 만큼 체결 부재의 길이가 증가하기 때문에 셀 스택의 체결 면압이 과도하게 증가하지 않고 적정 범위 내에 유지되는 우수한 성능을 갖는다.In the fuel cell according to the embodiment, under a high temperature operating condition in which the cell stack is operated at a high temperature, the length of the fastening member increases as the length of the reaction cell increases, so that the fastening surface pressure of the cell stack is not excessively increased and is maintained within an appropriate range. It has excellent performance.

또한, 실시 예에 의한 연료 전지의 경우, 셀 스택의 고온 동작 이후에 저온 동작할 경우 체결력이 저하되지 않아, 셀 스택의 내부 저항이 증가하지 않으므로 우수한 스택 성능과 기밀성을 가질 수 있다.In addition, in the case of the fuel cell according to the embodiment, when the cell stack is operated at a low temperature after the high temperature operation, the fastening force does not decrease, and the internal resistance of the cell stack does not increase, so that excellent stack performance and airtightness can be obtained.

도 1은 실시 예에 의한 연료 전지의 외관 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 연료 전지의 단면도를 나타낸다.
도 3a는 일 실시 예에 의한 체결 부재의 사시도를 나타내고, 도 3b는 도 3a에 도시된 체결 부재를 I-I’선을 따라 절개한 단면도를 나타낸다.
도 4a는 다른 실시 예에 의한 체결 부재의 사시도를 나타내고, 도 4b는 또 다른 실시 예에 의한 체결 부재의 사시도를 나타낸다.
도 5a는 비교 례에 의한 연료 전지에 포함되는 체결 부재의 사시도를 나타내고, 도 5b는 도 5a에 도시된 체결 부재를 Ⅱ-Ⅱ’선을 따라 절개한 단면도이다.
도 6은 비교 례에 의한 연료 전지에서 셀 스택의 온도 변화에 따른 체결력을 나타내는 그래프이다.
도 7은 비교 례 및 실시 예에 의한 온도별 체결 면압을 나타내는 그래프이다.1 is an external perspective view of a fuel cell according to an embodiment.
2 shows a cross-sectional view of the fuel cell shown in FIG. 1.
3A is a perspective view of a fastening member according to an embodiment, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the fastening member shown in FIG. 3A taken along line II′.
4A is a perspective view of a fastening member according to another embodiment, and FIG. 4B is a perspective view of a fastening member according to another embodiment.
5A is a perspective view of a fastening member included in a fuel cell according to a comparative example, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line II-II' of the fastening member shown in FIG. 5A.
6 is a graph showing a fastening force according to a temperature change of a cell stack in a fuel cell according to a comparative example.
7 is a graph showing a fastening surface pressure by temperature according to a comparative example and an example.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, embodiments will be described in order to specifically describe the present invention, and will be described in detail with reference to the accompanying drawings to aid in understanding the invention. However, the embodiments according to the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those with average knowledge in the art.

본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.In the description of the present embodiment, in the case of being described as being formed in "on or under" of each element, upper (upper) or lower (lower) ( On or under includes both elements in which two elements are in direct contact with each other or one or more other elements are indirectly formed between the two elements.

또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.In addition, when expressed as “up (up)” or “on or under”, the meaning of not only an upward direction but also a downward direction based on one element may be included.

또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.In addition, relational terms such as "first" and "second," "top/top/top" and "bottom/bottom/bottom", etc. used below, may be any physical or logical relationship between such entities or elements, or It may be used to distinguish one entity or element from another entity or element without necessarily requiring or implying an order.

이하, 실시 예에 의한 연료 전지(100)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 연료 전지(100)를 설명하지만, 다른 좌표계에 의해서도 이를 설명할 수 있음은 물론이다. 또한, 데카르트 좌표계에 의하면, x축, y축 및 z축은 서로 직교하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, x축, y축 및 z축은 서로 교차할 수도 있다.Hereinafter, a fuel cell 100 according to an embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. For convenience, the fuel cell 100 is described using a Cartesian coordinate system (x-axis, y-axis, and z-axis), but it goes without saying that this can be described with other coordinate systems as well. Further, according to the Cartesian coordinate system, the x-axis, y-axis, and z-axis are orthogonal to each other, but embodiments are not limited thereto. That is, the x-axis, y-axis, and z-axis may cross each other.

도 1은 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 외관 사시도를 나타내고, 도 2는 도 1에 도시된 연료 전지(100)의 단면도를 나타낸다. 설명의 편의상, 도 1에 도시된 체결 부재(130:130-1 내지 130-3)의 도시는 도 2에서 생략되었다.1 is an external perspective view of a fuel cell 100 according to an embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell 100 shown in FIG. 1. For convenience of explanation, the illustration of the fastening members 130: 130-1 to 130-3 illustrated in FIG. 1 is omitted from FIG. 2.

연료 전지(100)는 예를 들어, 차량 구동을 위한 전력 공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)일 수 있으나, 실시 예는 연료 전지의 특정한 형태에 국한되지 않는다.The fuel cell 100 may be, for example, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which is most studied as a power supply source for driving a vehicle, but the embodiment is a fuel cell. It is not limited to a specific type of battery.

실시 예에 의한 연료 전지(100)는 엔드 플레이트(end plate)(또는, 가압 플레이트 또는 압축판)(110A, 110B), 셀 스택(cell stack)(122) 및 적어도 하나의 체결 부재를 포함할 수 있다.The fuel cell 100 according to the embodiment may include an end plate (or a pressure plate or a compression plate) 110A, 110B, a cell stack 122, and at least one fastening member. have.

도 2를 참조하면, 셀 스택(122)은 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 적층된 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)을 포함할 수 있다. 여기서, N은 1 이상의 양의 정수로서, 수십 내지 수백일 수 있다. N은 예를 들어, 100 내지 300, 바람직하게는 220일 수 있으나, 실시 예는 N의 특정한 수에 국한되지 않는다.Referring to FIG. 2, the cell stack 122 may include a plurality of unit cells 122-1 to 122 -N stacked in a first direction (eg, an x-axis direction). Here, N is a positive integer of 1 or more, and may be tens to hundreds. N may be, for example, 100 to 300, preferably 220, but embodiments are not limited to a specific number of N.

각 단위 셀(122-n)은 0.6 볼트 내지 1.0 볼트, 평균적으로 0.7볼트의 전기를 생성할 수 있다. 여기서, 1≤n≤N이다. 따라서, 연료 전지(100)로부터 부하로 공급하고자 하는 전력의 세기에 따라 N이 결정될 수 있다. 여기서, 부하란, 차량에서 전력을 요구하는 부분을 의미할 수 있다.Each unit cell 122-n may generate electricity of 0.6 volts to 1.0 volts, and 0.7 volts on average. Here, 1≤n≤N. Accordingly, N may be determined according to the strength of power to be supplied from the fuel cell 100 to the load. Here, the load may mean a part that requests power from the vehicle.

각 단위 셀(122-n)은 막전극 접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(210), 가스 확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(222, 224), 개스킷(Gasket)(232, 234, 236) 및 분리판(또는, 바이폴라 플레이트(bipolar plate) 또는 세퍼레이터(separator))(242, 244)을 포함할 수 있다.Each unit cell 122-n includes a membrane electrode assembly (MEA) 210, a gas diffusion layer (GDL) 222, 224, a gasket 232, 234, 236, and Separation plates (or bipolar plates or separators) 242 and 244 may be included.

막전극 접합체(210)는 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매 전극층이 부착된 구조를 갖는다. 구체적으로, 막전극 접합체(210)는 고분자 전해질막(또는, 프로톤(proton) 교환막)(212), 연료극(또는, 수소극 또는 산화 전극)(214) 및 공기극(또는, 산소극 또는 환원 전극)(216)을 포함할 수 있다. 또한, 막전극 접합체(210)는 서브 개스킷(238)을 더 포함할 수도 있다.The membrane electrode assembly 210 has a structure in which a catalyst electrode layer in which an electrochemical reaction occurs is attached to both sides of an electrolyte membrane through which hydrogen ions move. Specifically, the membrane electrode assembly 210 is a polymer electrolyte membrane (or proton exchange membrane) 212, an anode (or a hydrogen electrode or an oxidizing electrode) 214 and an air electrode (or an oxygen electrode or a reduction electrode) (216) may be included. In addition, the membrane electrode assembly 210 may further include a sub gasket 238.

고분자 전해질막(210)은 연료극(214)과 공기극(216) 사이에 배치된다.The polymer electrolyte membrane 210 is disposed between the anode 214 and the cathode 216.

연료 전지(100)에서 연료인 수소는 제1 분리판(242)을 통해 연료극(214)으로 공급되고, 산화제인 산소를 포함하는 공기는 제2 분리판(244)을 통해 공기극(216)으로 공급될 수 있다.In the fuel cell 100, hydrogen as fuel is supplied to the anode 214 through the first separation plate 242, and air containing oxygen, which is an oxidizing agent, is supplied to the cathode 216 through the second separation plate 244 Can be.

연료극(214)으로 공급된 수소는 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 고분자 전해질막(212)을 통과하여 공기극(216)으로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 가스 확산층(222, 224)과 분리판(242, 244)을 통해 공기극(216)으로 전달될 수 있다. 전술한 동작을 위해, 연료극(214)과 공기극(216) 각각에는 촉매층이 도포될 수 있다. 이와 같이, 전자의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하여 전류가 생성된다. 연료인 수소와 공기에 포함된 산소와의 전기 화학 반응에 의해, 연료 전지(100)는 전력을 발생함을 알 수 있다.Hydrogen supplied to the anode 214 is decomposed into hydrogen ions (proton, H+) and electrons (e-) by the catalyst, of which only hydrogen ions selectively pass through the polymer electrolyte membrane 212 and pass through the cathode ( At the same time, electrons may be transferred to the cathode 216 through the gas diffusion layers 222 and 224 as conductors and the separation plates 242 and 244. For the above-described operation, a catalyst layer may be applied to each of the anode 214 and the cathode 216. In this way, due to the movement of electrons, the flow of electrons through the external conductor occurs, thereby generating current. It can be seen that the fuel cell 100 generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen as fuel and oxygen contained in air.

공기극(216)에서는 고분자 전해질막(210)을 통해 공급된 수소 이온과 분리판(242, 244)을 통해 전달된 전자가 공기극(216)으로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물(이하, ‘응축수’ 또는 ‘생성수’라 함)을 생성하는 반응을 일으킨다. 이와 같이, 공기극(216)에서 생성된 응축수는 고분자 전해질막(212)을 투과하여 연료극(214)으로 전달될 수 있다.In the cathode 216, hydrogen ions supplied through the polymer electrolyte membrane 210 and electrons transferred through the separators 242 and 244 meet oxygen in the air supplied to the cathode 216, and water (hereinafter,'condensed water') Or'produced water'). In this way, the condensed water generated in the cathode 216 may pass through the polymer electrolyte membrane 212 and be transferred to the anode 214.

경우에 따라, 연료극(214)을 양극(anode)이라 칭하고 공기극(216)을 음극(cathode)이라고 칭하거나 이와 반대로 연료극(214)을 음극이라 칭하고 공기극(216)을 양극이라고 칭할 수도 있다.In some cases, the anode 214 may be referred to as an anode and the cathode 216 may be referred to as a cathode, or conversely, the anode 214 may be referred to as a cathode and the cathode 216 may be referred to as an anode.

가스 확산층(222, 224)은 반응 기체인 수소와 산소를 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 가스 확산층(222, 224)은 막전극 접합체(210)의 양측에 각각 배치될 수 있다. 즉, 제1 가스 확산층(222)은 연료극(214)의 좌측부에 배치되고, 제2 가스 확산층(224)은 공기극(216)의 우측부에 배치될 수 있다.The gas diffusion layers 222 and 224 evenly distribute hydrogen and oxygen, which are reaction gases, and transmit the generated electric energy. To this end, the gas diffusion layers 222 and 224 may be disposed on both sides of the membrane electrode assembly 210, respectively. That is, the first gas diffusion layer 222 may be disposed on the left side of the anode 214, and the second gas diffusion layer 224 may be disposed on the right side of the cathode 216.

제1 가스 확산층(222)은 제1 분리판(242)을 통해 공급되는 반응 기체인 수소를 확산시켜 고르게 분포시키는 역할을 하며, 전기 전도성을 가질 수 있다. 제2 가스 확산층(224)은 제2 분리판(244)을 통해 공급되는 반응 기체인 공기를 확산시켜 고르게 분포시키는 역할을 하며, 전기 전도성을 가질 수 있다. 제1 및 제2 가스 확산층(222, 224) 각각은 미세한 카본 파이버(carbon fiber)들이 결합된 미세 기공층일 수 있으나, 실시 예는 제1 및 제2 가스층(222, 224)의 특정한 형태에 국한되지 않는다.The first gas diffusion layer 222 serves to diffuse and evenly distribute hydrogen, which is a reactive gas supplied through the first separating plate 242, and may have electrical conductivity. The second gas diffusion layer 224 serves to diffuse and evenly distribute air, which is a reactive gas supplied through the second separating plate 244, and may have electrical conductivity. Each of the first and second gas diffusion layers 222 and 224 may be a microporous layer in which fine carbon fibers are combined, but the embodiment is not limited to a specific shape of the first and second gas layers 222 and 224. Does not.

개스킷(232, 234, 236)은 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하며, 분리판(242, 244)을 적층할 때 응력을 분산시키며, 유로를 독립적으로 밀폐시키는 역할을 수행한다. 이와 같이, 개스킷(232, 234, 236)에 의해 기밀/수밀이 유지됨으로써 전력을 생성하는 셀 스택(122)과 인접한 면의 평탄도가 관리되어, 셀 스택(122)의 반응면에 균일한 면압 분포가 이루어질 수 있다.The gaskets 232, 234, and 236 maintain the airtightness of the reactor bodies and the cooling water and an appropriate fastening pressure, distribute the stress when stacking the separating plates 242, 244, and independently seal the flow path. . In this way, the airtightness/watertightness is maintained by the gaskets 232, 234, 236, so that the flatness of the surface adjacent to the cell stack 122 that generates power is managed, and a uniform surface pressure on the reaction surface of the cell stack 122 Distribution can be made.

분리판(242, 244)은 반응기체들 및 냉각매체를 이동시키는 역할과 복수의 단위 셀 각각을 다른 단위 셀과 분리시키는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 분리판(242, 244)은 막전극 접합체(210)와 가스 확산층(222, 224)을 구조적으로 지지하며, 발생한 전류를 수집하여 집전판(112)으로 전달하는 역할을 수행할 수도 있다.The separating plates 242 and 244 may serve to move the reactor bodies and the cooling medium and to separate each of the plurality of unit cells from other unit cells. In addition, the separating plates 242 and 244 structurally support the membrane electrode assembly 210 and the gas diffusion layers 222 and 224, and may perform a role of collecting and transmitting the generated current to the current collecting plate 112.

분리판(242, 244)은 가스 확산층(222, 224)의 외측에 각각 배치될 수 있다. 즉, 제1 분리판(242)은 제1 가스 확산층(222)의 좌측에 배치되고, 제2 분리판(244)은 제2 가스 확산층(224)의 우측에 배치될 수 있다. 제1 분리판(242)은 반응 기체인 수소를 제1 가스 확산층(222)을 통해 연료극(214)으로 공급하는 역할을 한다. 제2 분리판(244)은 반응 기체인 공기를 제2 가스 확산층(224)을 통해 공기극(216)으로 공급하는 역할을 한다. 그 밖에, 제1 및 제2 분리판(242, 244) 각각은 냉각 매체(예를 들어, 냉각수)가 흐를 수 있는 채널을 형성할 수도 있다.Separation plates 242 and 244 may be disposed outside the gas diffusion layers 222 and 224, respectively. That is, the first separation plate 242 may be disposed on the left side of the first gas diffusion layer 222, and the second separation plate 244 may be disposed on the right side of the second gas diffusion layer 224. The first separating plate 242 serves to supply hydrogen, which is a reactive gas, to the anode 214 through the first gas diffusion layer 222. The second separating plate 244 serves to supply air, which is a reactive gas, to the cathode 216 through the second gas diffusion layer 224. In addition, each of the first and second separating plates 242 and 244 may form a channel through which a cooling medium (eg, cooling water) can flow.

제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)는 셀 스택(122)의 양단부에 각각 배치되어, 복수의 단위 셀을 지지하며 고정시킬 수 있다. 즉, 제1 엔드 플레이트(110A)는 셀 스택(122)의 양단부 중 일단부에 배치되고, 제2 엔드 플레이트(110B)는 셀 스택(122)의 양단부 중 타단부에 배치될 수 있다.The first and second end plates 110A and 110B are disposed at both ends of the cell stack 122, respectively, to support and fix a plurality of unit cells. That is, the first end plate 110A may be disposed at one end of the cell stack 122, and the second end plate 110B may be disposed at the other end of the cell stack 122.

일 실시 예에 의하면, 제1 엔드 플레이트(110A)는 다수의 매니폴드(또는, 연통부)(IN1, IN2, OUT1, OUT2)를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the first end plate 110A may include a plurality of manifolds (or communication units) IN1, IN2, OUT1, and OUT2.

막전극 접합체(210)에서 필요한 반응 기체는 제1 및 제2 유입 연통부(IN1, IN2)를 통해 유입되고, 가습되어 공급된 반응 기체와 셀 내부에서 생성된 응축수가 더해진 기체 또는 액체가 제1 및 제2 유출 연통부(OUT1, OUT2)를 통해 연료 전지(100)의 외부로 유출될 수 있다. 또한, 비록 도면에 보이지 않지만, 제2 엔드 플레이트(110B)는 다수의 매니폴드(또는, 연통부)(IN3, OUT3)를 포함할 수 있다. 제3 유입 연통부(IN3)를 통해 외부로부터 냉각매체가 셀 스택(122)으로 유입될 수 있고, 제3 유출 연통부(OUT3)를 통해 셀 스택(122)의 내부로부터 외부로 냉각매체가 유출될 수 있다.The reactant gas required in the membrane electrode assembly 210 is introduced through the first and second inlet communication parts IN1 and IN2, and a gas or liquid obtained by adding the reactant gas supplied by humidification and the condensed water generated inside the cell is the first. And the outflow of the fuel cell 100 through the second outflow communication parts OUT1 and OUT2. In addition, although not shown in the drawing, the second end plate 110B may include a plurality of manifolds (or communication portions) IN3 and OUT3. The cooling medium may flow into the cell stack 122 from the outside through the third inlet communication unit IN3, and the cooling medium flows out from the inside of the cell stack 122 through the third outlet communication unit OUT3. Can be.

다른 실시 예에 의하면, 도 1에 도시된 바와 달리, 제1 엔드 플레이트(110A)는 다수의 매니폴드(또는, 연통부)(IN1, IN2, IN3, OUT1, OUT2, OUT3)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 유입 연통부(IN1, IN2) 및 제1 및 제2 유출 연통부(OUT1, OUT2)는 도 1에 도시된 바와 같고, 제3 유입 연통부(IN3)는 제1 엔드 플레이트(110A)의 제1 유입 연통부(IN1)와 제2 유출 연통부(OUT2) 사이에 배치되고, 제3 유출 연통부(OUT3)는 제1 엔드 플레이트(110A)의 제2 유입 연통부(IN2)와 제1 유출 연통부(OUT1) 사이에 배치될 수도 있다.According to another embodiment, unlike FIG. 1, the first end plate 110A may include a plurality of manifolds (or communication parts) IN1, IN2, IN3, OUT1, OUT2, OUT3. . In this case, the first and second inflow communication parts IN1 and IN2 and the first and second outflow communication parts OUT1 and OUT2 are as shown in FIG. 1, and the third inflow communication part IN3 is the first It is disposed between the first inflow communication part IN1 and the second outflow communication part OUT2 of the end plate 110A, and the third outflow communication part OUT3 is a second inflow communication part of the first end plate 110A. It may be disposed between (IN2) and the first outflow communication portion (OUT1).

집전판(112)은 셀 스택(122)과 대면하는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 내측면(110AI, 110BI)과 셀 스택(122) 사이에 배치될 수 있다. 집전판(112)은 셀 스택(122)에서 전자의 흐름으로 생성된 전기 에너지를 모아서 연료 전지(100)가 사용되는 차량의 부하로 공급하는 역할을 한다. 여기서, 집전판(112)은 집전 단자(140)와 연결될 수 있다.The current collector 112 may be disposed between the cell stack 122 and the inner surfaces 110AI and 110BI of the first and second end plates 110A and 110B facing the cell stack 122. The current collector 112 serves to collect electric energy generated by the flow of electrons in the cell stack 122 and supply it to a load of a vehicle in which the fuel cell 100 is used. Here, the current collecting plate 112 may be connected to the current collecting terminal 140.

한편, 적어도 하나의 체결 부재(130)는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 결합하여 복수의 단위 셀을 제1 방향으로 체결하는 역할을 한다. 반복 적층된 복수의 단위 셀에 대해 체결 장치에서 적정한 하중(또는, 압축력)이 가해진 상태에서, 체결 부재(130)를 이용하여 복수의 단위 셀로 이루어진 셀 스택(122)이 체결된다. 따라서, 셀 스택(122)의 외곽 구조는 복수의 단위 셀이 적층된 방향의 압축 체결력에 의해서 유지될 수 있다. 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 체결 부재(130)는 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)를 연결하며, 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 분리판(242, 244)의 장축에 연결될 수 있다. 셀 스택(122)에서 복수의 단위 셀을 구성하는 반복되는 부품들 간의 반발력으로 셀 스택(122)의 체결력이 유지되며, 이를 통해 기밀/수밀 기능과 반복되는 부품들의 전기적 접촉을 통해 발전 전력이 이동할 수 있다.Meanwhile, the at least one fastening member 130 serves to couple the first and second end plates 110A and 110B to fasten the plurality of unit cells in the first direction. A cell stack 122 made of a plurality of unit cells is fastened by using the fastening member 130 in a state in which an appropriate load (or compressive force) is applied by the fastening device to the plurality of repeatedly stacked unit cells. Accordingly, the outer structure of the cell stack 122 may be maintained by a compression fastening force in a direction in which a plurality of unit cells are stacked. To this end, as shown in FIG. 1, the fastening member 130 connects the first and second end plates 110A and 110B, and the first and second end plates 110A and 110B and the separating plate 242 , 244). In the cell stack 122, the clamping force of the cell stack 122 is maintained by the repulsive force between the repeating parts constituting a plurality of unit cells, and through this, the power generation power moves through the airtight/watertight function and electrical contact between the repeating parts. I can.

적어도 하나의 체결 부재(130)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)과 교차하는 제2 방향(예를 들어, y축 방향)으로 서로 이격되어 배치된 복수의 체결 부재를 포함할 수 있다. 도 1의 경우, 적어도 하나의 체결 부재(130)는 제2 방향(예를 들어, y축 방향)으로 서로 이격되어 배치된 제1 내지 제3 체결 부재(130-1, 130-2, 130-3)를 포함하는 것으로 예시되어 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면, 적어도 하나의 체결 부재(130)는 도 1에 도시된 바와 달리, 제2 방향(예를 들어, y축 방향)으로 서로 이격되어 배치된 2개 또는 4개 이상의 체결 부재를 포함할 수도 있다.The at least one fastening member 130 may include a plurality of fastening members spaced apart from each other in a second direction (eg, y-axis direction) intersecting with a first direction (eg, x-axis direction). have. In the case of FIG. 1, at least one fastening member 130 is first to third fastening members 130-1, 130-2 and 130-spaced apart from each other in a second direction (eg, y-axis direction). 3), but the embodiment is not limited thereto. That is, according to another embodiment, at least one fastening member 130 is two or four or more fastenings arranged to be spaced apart from each other in a second direction (eg, y-axis direction), unlike FIG. 1. It may also include a member.

예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 체결 부재(130)는 바(bar) 형태일 수도 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면, 체결 부재(130)는 긴 볼트 형태, 벨트 형태 또는 강성 로프 형태로 복수의 단위 셀을 체결할 수 있다.For example, as shown in FIG. 1, the fastening member 130 may have a bar shape, but the embodiment is not limited thereto. That is, according to another embodiment, the fastening member 130 may fasten a plurality of unit cells in the form of a long bolt, a belt, or a rigid rope.

한편, 연료 전지(100)는 절연판(150)을 더 포함할 수 있다. 절연판(150)은 셀 스택(122)과 체결 부재(130) 사이에 배치되어, 이들(122, 130)을 서로 전기적으로 절연시키는 역할을 한다.Meanwhile, the fuel cell 100 may further include an insulating plate 150. The insulating plate 150 is disposed between the cell stack 122 and the fastening member 130 and serves to electrically insulate the cells 122 and 130 from each other.

요철 구조를 갖는 분리판(242, 244)에서 가스 확산층(222, 224)과 맞닿는 부위를 랜드라고 하며, 가스 확산층(222, 224)과 맞닿지 않으면서 반응 기체의 통로가 되는 부위를 채널이라고 한다. 분리판(242, 244)의 랜드는 가스 확산층(222, 224)과 접촉하여 면압을 전달하며, 분리판(242, 244) 각각의 채널과 랜드가 서로 접촉하여 면압을 전달한다. 연료 전지(100)에서 셀 스택(122)의 기계적 구조는 반응면의 면압 전달 구조와 개스킷(232, 234, 236)에 의해서 유지되며, 반응면의 면압은 가스 확산층(222, 224)과 분리판(242, 244)의 랜드의 지지구조에 의해서 결정될 수 있다.In the separating plates 242 and 244 having an uneven structure, a portion that contacts the gas diffusion layers 222 and 224 is referred to as a land, and a portion that becomes a passage for the reaction gas without contacting the gas diffusion layers 222 and 224 is referred to as a channel. . The lands of the separating plates 242 and 244 contact the gas diffusion layers 222 and 224 to transmit the surface pressure, and the channels and the lands of the separating plates 242 and 244 contact each other to transmit the surface pressure. In the fuel cell 100, the mechanical structure of the cell stack 122 is maintained by the surface pressure transmission structure of the reaction surface and the gaskets 232, 234, 236, and the surface pressure of the reaction surface is the gas diffusion layers 222, 224 and the separating plate. It can be determined by the support structure of the land of (242, 244).

이하, 셀 스택(122)의 온도에 따라 셀 스택(122)에 가해지는 체결 면압을 조정하는 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 구성에 대해 다음과 같이 설명한다. 설명의 편의상 적어도 하나의 체결 부재(130)는 도 1에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 체결 부재(130-1, 130-2, 130-3)를 포함하는 것으로 설명한다. 그러나, 하기의 설명은 적어도 하나의 체결 부재(130)가 2개 또는 4개 이상의 체결 부재를 포함하는 경우에도 적용될 수 있다.Hereinafter, a configuration of the fuel cell 100 according to an embodiment in which the fastening surface pressure applied to the cell stack 122 is adjusted according to the temperature of the cell stack 122 will be described as follows. For convenience of description, the at least one fastening member 130 will be described as including first to third fastening members 130-1, 130-2, and 130-3 as shown in FIG. 1. However, the following description may be applied even when at least one fastening member 130 includes two or four or more fastening members.

도 3a는 일 실시 예에 의한 체결 부재(130A)의 사시도를 나타내고, 도 3b는 도 3a에 도시된 체결 부재(130A)를 I-I’선을 따라 절개한 단면도를 나타낸다.3A is a perspective view of a fastening member 130A according to an embodiment, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the fastening member 130A shown in FIG. 3A taken along line I-I'.

도 3a 및 도 3b에 도시된 체결 부재(130A)는 도 1에 도시된 제1 내지 제3 체결 부재(130-1 내지 130-3) 각각의 실시 예에 해당할 수 있다.The fastening members 130A shown in FIGS. 3A and 3B may correspond to each of the first to third fastening members 130-1 to 130-3 shown in FIG. 1.

실시 예에 의한 연료 전지(100)는 제어부(160)를 더 포함할 수 있다. 제어부(160)는 셀 스택(122)의 온도에 따라 제어 신호(CT)를 생성하고, 생성된 제어 신호(CT)를 체결 부재(130A)로 출력한다.The fuel cell 100 according to the embodiment may further include a control unit 160. The controller 160 generates a control signal CT according to the temperature of the cell stack 122 and outputs the generated control signal CT to the fastening member 130A.

만일, 실시 예에 의한 연료 전지(100)에 차량에 이용될 경우, 제어부(160)는 차량의 정션 박스(162)에 포함될 수도 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 정션 박스(162)는 연료 전지(100)의 셀 스택(122)에서 발전된 전력을 분배하는 역할을 한다. 예를 들어, 정션 박스(162)는 연료 전지(100)의 운전을 돕는 주변 보조 기기(BOP:Balance Of Plant) 부품들을 제어하기 위한 퓨즈(미도시)와 릴레이류(미도시)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 정션 박스(162)는 연료 전지(100) 상에 배치될 수 있다.If the fuel cell 100 according to the embodiment is used in a vehicle, the controller 160 may be included in the junction box 162 of the vehicle, but the embodiment is not limited thereto. The junction box 162 serves to distribute power generated from the cell stack 122 of the fuel cell 100. For example, the junction box 162 may include a fuse (not shown) and relays (not shown) for controlling components of a peripheral auxiliary device (BOP: Balance Of Plant) that help the fuel cell 100 to operate. have. For example, the junction box 162 may be disposed on the fuel cell 100.

실시 예에 의한 체결 부재(130A)는 제어부(160)로부터 출력되는 제어 신호(CT)에 응답하여 발열할 수 있다. 이를 위해, 체결 부재(130A)는 체결 몸체(132), 발열부(134) 및 단열부(136)를 포함할 수 있다.The fastening member 130A according to the embodiment may generate heat in response to the control signal CT output from the controller 160. To this end, the fastening member 130A may include a fastening body 132, a heat generating part 134, and a heat insulating part 136.

체결 몸체(132)는 금속 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 물질은 스틸, 알루미늄, 구리 또는 마그네슘 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 체결 몸체(132)를 구현하는 특정한 금속 물질에 국한되지 않는다. 즉, 체결 몸체(132)는 열 팽창 계수가 큰 금속계 재질로 구현될 수 있다.The fastening body 132 may include a metallic material. For example, the metal material may include at least one of steel, aluminum, copper, or magnesium, but the embodiment is not limited to a specific metal material implementing the fastening body 132. That is, the fastening body 132 may be implemented with a metallic material having a high coefficient of thermal expansion.

발열부(134)는 체결 몸체(132)를 둘러싸도록 배치될 수 있다.The heating part 134 may be disposed to surround the fastening body 132.

도 4a는 다른 실시 예에 의한 체결 부재(130B)의 사시도를 나타내고, 도 4b는 또 다른 실시 예에 의한 체결 부재(130C)의 사시도를 나타낸다. 도 3b에 도시된 발열부(134)의 실시 예(134A, 134B)에 대한 이해를 돕기 위해, 도 4a 및 도 4b에서 단열부(136)의 도시는 생략된다. 또한, 도 4a 및 도 4b는 도 3a 및 도 3b에 도시된 체결 부재(130)의 실시 예에 해당한다.4A is a perspective view of a fastening member 130B according to another embodiment, and FIG. 4B is a perspective view of a fastening member 130C according to another embodiment. In order to help understand the embodiments 134A and 134B of the heating unit 134 shown in FIG. 3B, the illustration of the heat insulation unit 136 in FIGS. 4A and 4B is omitted. In addition, FIGS. 4A and 4B correspond to an embodiment of the fastening member 130 shown in FIGS. 3A and 3B.

도 3b에 도시된 발열부(134)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)에서, 제1 엔드 플레이트(110A)와 제2 엔드 플레이트(110B) 사이에 배치될 수 있다.The heating unit 134 shown in FIG. 3B may be disposed between the first end plate 110A and the second end plate 110B in a first direction (eg, in the x-axis direction).

또한, 발열부(134)는 도 4a에 도시된 바와 같이 면(surface) 상(shape) 저항 패턴(134A)를 가질 수도 있고, 도 4b에 도시된 바와 같이 선(line)상 저항 패턴(134B)을 가질 수도 있다.In addition, the heating unit 134 may have a surface-shaped resistance pattern 134A as shown in FIG. 4A, and a line-shaped resistance pattern 134B as shown in FIG. 4B. You can also have

또한, 발열부(134)의 저항 패턴의 발열량은 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)로부터 멀어질수록 감소할 수 있다. 예를 들어, 발열부(134)의 저항 패턴의 발열량은 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 각각으로부터 멀어질수록 선형적으로 감소할 수도 있고, 비선형적으로 감소할 수도 있다. 도 4b는 발열부(134B)의 저항 패턴의 발열량이 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)로부터 멀어질수록 비선형적으로 감소함을 보이는 일 례이다.In addition, the amount of heat generated by the resistance pattern of the heating unit 134 may decrease as the distance from the first and second end plates 110A and 110B increases. For example, the amount of heat generated by the resistance pattern of the heating unit 134 may linearly decrease or may decrease non-linearly as the distance from each of the first and second end plates 110A and 110B increases. 4B is an example showing that the amount of heat generated by the resistance pattern of the heating unit 134B decreases non-linearly as the distance from the first and second end plates 110A and 110B increases.

도 4b에 도시된 발열부(134B)는 제1 발열 섹터(134-1) 및 제2 발열 섹터(134-2, 134-3)를 포함할 수 있다.The heating unit 134B illustrated in FIG. 4B may include a first heating sector 134-1 and a second heating sector 134-2 and 134-3.

제1 발열 섹터(134-1)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 셀 스택(122)의 제1 중앙 영역(CA1)에 위치할 수 있다. 제2 발열 섹터(134-2, 134-3)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 제1 발열 섹터(134-1)보다 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)에 더 가깝게 위치할 수 있다. 즉, 제2 발열 섹터(134-2, 134-3)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로 셀 스택(122)의 제1 및 제2 주변 영역(PA1, PA2)에 위치할 수 있다. 여기서, 제1 주변 영역(PA1)이란, 셀 스택(122)의 평면 형상에서 제1 중앙 영역(CA1)과 제1 엔드 플레이트(110A) 사이의 영역을 의미한다. 제2 주변 영역(PA2)이란, 셀 스택(122)의 평면 형상에서 제1 중앙 영역(CA1)과 제2 엔드 플레이트(110B) 사이의 영역을 의미한다.The first heat generating sector 134-1 may be located in the first central area CA1 of the cell stack 122 in a first direction (eg, in the x-axis direction). The second heat generating sectors 134-2 and 134-3 are located in the first and second end plates 110A and 110B than the first heat generating sector 134-1 in the first direction (eg, the x-axis direction). It can be located closer. That is, the second heat generating sectors 134-2 and 134-3 are located in the first and second peripheral areas PA1 and PA2 of the cell stack 122 in the first direction (eg, the x-axis direction). I can. Here, the first peripheral area PA1 means an area between the first central area CA1 and the first end plate 110A in the planar shape of the cell stack 122. The second peripheral area PA2 means an area between the first central area CA1 and the second end plate 110B in the planar shape of the cell stack 122.

이때, 제2 발열 섹터(134-2, 134-3)의 발열량은 제1 발열 섹터(134-1)의 발열량보다 클 수 있다. 일반적으로, 체결 부재(130)의 열전도로 인한 열량 손실은 제1 중앙 영역(CA1)에서보다 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)의 양단부에 인접한 제1 및 제2 주변 영역(PA1, PA2)에서 더 크다. 따라서, 제2 발열 섹터(134-2, 134-3)의 발열량을 제1 발열 섹터(134-1)의 발열량보다 크게 함으로써, 이러한 열량 손실을 보충할 수 있다.In this case, the amount of heat generated by the second heat generating sectors 134-2 and 134-3 may be greater than the amount of heat generated by the first heat generating sector 134-1. In general, the heat loss due to heat conduction of the fastening member 130 is the first and second peripheral regions PA1, which are adjacent to both ends of the first and second end plates 110A and 110B, than in the first central region CA1. Is larger in PA2). Accordingly, by making the amount of heat generated by the second heat generating sectors 134-2 and 134-3 larger than the amount of heat generated by the first heat generating sector 134-1, such heat loss can be compensated.

또한, 실시 예에 의하면, 발열부(134)는 발열 몸체(HBA, HBB) 및 제1 및 제2 전원 연결부(PC1, PC2)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 발열 몸체(HBA, HBB)는 제1 방향(예를 들어, x축 방향)에서 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B) 사이에 위치하며, 체결 몸체(132)를 둘러싸며 배치될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 전원 연결부(PC1, PC2)는 발열 몸체(HBA, HBB)의 양단부에 각각 배치되어 제어 신호(CT)와 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 제어부(160)에서 생성된 제어 전압이 제1 및 제2 전원 연결부(PC1, PC2)로 제어 신호(CT)로서 인가될 수 있다. 이를 위해, 제어부(160)와 제1 및 제2 전원 연결부(PC1, PC2)는 와이어(미도시)에 의해 연결될 수 있다.In addition, according to an embodiment, the heating unit 134 may include a heating body (HBA, HBB) and first and second power connection units PC1 and PC2. For example, referring to FIGS. 4A and 4B, the heating bodies HBA and HBB are located between the first and second end plates 110A and 110B in a first direction (eg, in the x-axis direction), and , It may be disposed surrounding the fastening body 132. In addition, the first and second power connection units PC1 and PC2 may be disposed at both ends of the heating bodies HBA and HBB, respectively, and may be electrically connected to the control signal CT. That is, the control voltage generated by the controller 160 may be applied to the first and second power connection units PC1 and PC2 as the control signal CT. To this end, the control unit 160 and the first and second power connection units PC1 and PC2 may be connected by a wire (not shown).

또한, 발열부(134)는 금속계 또는 세라믹계 소재를 포함할 수 있다.In addition, the heating unit 134 may include a metal-based or ceramic-based material.

또한, 발열부(134)는 50Ω 내지 100Ω의 전기저항을 가질 수 있다. 발열부(134)는 셀 스택(122)의 작동 전압이 250V 내지 400V일 때 400W 내지 1600W의 발열량을 가질 수 있다.In addition, the heating unit 134 may have an electrical resistance of 50Ω to 100Ω. The heating unit 134 may have a heating value of 400W to 1600W when the operating voltage of the cell stack 122 is 250V to 400V.

한편, 단열부(136)는 발열부(134)를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 단열부(136)는 폴리이미드(PI:Polyimide), 폴리프로필렌(PP:Polypropylene) 또는 우레탄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 같이, 단열부(136)가 배치됨으로써, 셀 스택(122)과 발열부(134)가 서로 열적으로 분리(즉, 단열)될 수 있다.Meanwhile, the heat insulating part 136 may be disposed to surround the heating part 134. For example, the heat insulating part 136 may include at least one of polyimide (PI), polypropylene (PP), or urethane. In this way, by arranging the heat insulating part 136, the cell stack 122 and the heat generating part 134 may be thermally separated (ie, insulated) from each other.

제어부(160)는 셀 스택(122)의 온도(TC)가 소정 온도(TO) 이상일 때, 다음 수학식 1을 만족하도록 제어 신호(CT)를 생성할 수 있다. When the temperature T C of the cell stack 122 is equal to or higher than a predetermined temperature T O , the controller 160 may generate a control signal CT to satisfy Equation 1 below.

Figure pat00002
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여기서, αC는 셀 스택(또는, 단위 셀(122-n))(122)의 열 팽창 계수를 나타내고, LC는 셀 스택(122)의 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로의 길이를 나타내고, αF는 체결 몸체(132)의 열 팽창 계수를 나타내고, TF는 체결 몸체(132)의 온도를 나타내고, LF는 체결 몸체(132)의 제1 방향(예를 들어, x축 방향)으로의 길이를 나타낸다. 예를 들어, 소정 온도(TO)는 60℃일 수 있다.Here, α C denotes the coefficient of thermal expansion of the cell stack (or unit cell 122-n) 122, and L C denotes the first direction (eg, the x-axis direction) of the cell stack 122 Represents the length of, α F represents the coefficient of thermal expansion of the fastening body 132 , T F represents the temperature of the fastening body 132, and L F represents the first direction of the fastening body 132 (for example, x-axis direction). For example, the predetermined temperature T O may be 60°C.

또한, 실시 예에 의한 연료 전지(100)는 온도 센서(138)를 더 포함할 수 있다. 온도 센서(138)는 발열부(134)의 온도를 감지하고, 감지된 온도(ST)를 와이어(W)를 통해 제어부(160)로 출력할 수 있다. 이를 위해, 온도 센서(138)는 발열 몸체(132)와 발열부(134) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 온도 센서(138)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 발열 몸체(132)와 발열부(134) 사이에서, 발열 몸체(132) 상에 배치될 수 있다.In addition, the fuel cell 100 according to the embodiment may further include a temperature sensor 138. The temperature sensor 138 may sense the temperature of the heating unit 134 and output the sensed temperature ST to the controller 160 through the wire W. To this end, the temperature sensor 138 may be disposed between the heating body 132 and the heating part 134. For example, the temperature sensor 138 may be disposed on the heating body 132 between the heating body 132 and the heating part 134, as shown in FIG. 3B.

온도 센서(138)는 셀 스택(122)의 제1 및 제2 주변 영역(PA1, PA2)보다는 제1 중앙 영역(CA1)과 수직으로 중첩하여 영역에 배치됨이 바람직하다. 그러나, 온도 센서(138)가 제1 중앙 영역(CA1)과 수직으로 중첩하는 영역에 배치될 경우, 와이어(W)의 길이가 증가할 수 있다. 따라서, 온도 센서(138)는 제1 및 제2 주변 영역(PA1, PA2)과 수직으로 중첩하는 영역에 배치될 수 있다.The temperature sensor 138 is preferably disposed in an area vertically overlapping the first central area CA1 rather than the first and second peripheral areas PA1 and PA2 of the cell stack 122. However, when the temperature sensor 138 is disposed in an area vertically overlapping with the first central area CA1, the length of the wire W may increase. Accordingly, the temperature sensor 138 may be disposed in an area vertically overlapping the first and second peripheral areas PA1 and PA2.

제어부(160)는 온도 센서(138)에서 감지된 온도(ST)를 이용하여 제어 신호(CT)를 생성할 수 있다. 이와 같이, 제어부(160)는 셀 스택(122)의 운전 조건(예를 들어, 운전 온도)에 따라서 체결 부재(130:130-1 내지 130-3)의 발열량과 온도를 제어하기 위해, 제어 신호(CT)를 생성할 수 있다.The controller 160 may generate a control signal CT using the temperature ST sensed by the temperature sensor 138. In this way, the control unit 160 controls the heating value and temperature of the fastening members 130:130-1 to 130-3 according to the operating condition (eg, operating temperature) of the cell stack 122, the control signal (CT) can be created.

또한, 실시 예에 의하면, 복수의 체결 부재 중에서, 평면상에서 제1 방향(예를 들어, x축 방향)과 교차하는 제2 방향(예를 들어, y축 방향)으로 셀 스택(122)의 제2 중앙 영역(CA2)에 배치된 체결 부재의 발열량이 제2 방향(예를 들어, y축 방향)으로 셀 스택(122)의 제3 및 제4 주변 영역(PA3, PA4)에 배치된 체결 부재의 발열량보다 클 수 있다. 도 1을 참조하면, 셀 스택(122)의 제2 중앙 영역(CA2)에 배치된 제1 체결 부재(130-1)는 셀 스택(122)의 제3 및 제4 주변 영역(PA3, PA4)에 배치된 제2 및 제3 체결 부재(130-2, 130-3)보다 더 큰 발열량을 가질 수 있다.In addition, according to an embodiment, among a plurality of fastening members, the second direction (eg, y-axis direction) crossing the first direction (eg, the x-axis direction) in a plane is the second direction of the cell stack 122. 2 Fastening members disposed in the third and fourth peripheral areas PA3 and PA4 of the cell stack 122 in the second direction (for example, the y-axis direction) with the amount of heat generated by the fastening member disposed in the central area CA2 May be greater than the calorific value of Referring to FIG. 1, the first fastening member 130-1 disposed in the second central area CA2 of the cell stack 122 is the third and fourth peripheral areas PA3 and PA4 of the cell stack 122. It may have a greater amount of heat than the second and third fastening members 130-2 and 130-3 disposed in the.

일반적으로, 셀 스택(122)의 제2 중앙 영역(CA2)에서의 압축 반발력은 제3 및 제4 주변 영역(PA3, PA4)에서의 압축 반발력보다 더 크다. 따라서, 실시 예에 의한 연료 전지(100)에서, 셀 스택(122)에서 압축 반발력이 큰 쪽에 배치된 제1 체결 부재(130-1)의 발열량이 압축 반발력이 작은 쪽에 배치된 제2 및 제3 체결 부재(130-2, 130-3)의 발열량보다 더 크다. 따라서, 셀 스택(122)이 고온에서 팽창할 때, 셀 스택(122)의 제2 중앙 영역(CA2)에 배치된 부품들에 가해지는 더 큰 압축 반발력이, 제2 및 제3 체결 부재(130-2, 130-3)보다 더 크게 팽창하는 제1 체결 부재(130-1)에 의해 상쇄될 수 있다. 결국, 제2 중앙 영역(CA2)에서의 압축 반발력과 제3 및 제4 주변 영역(PA3, PA4)에서의 압축 반발력이 서로 다르다고 하더라도, 제2 중앙 영역(CA2)과 제3 및 제4 주변 영역(PA3, PA4)에 배치된 부품들에 체결 면압이 과도하게 인가되지 않고 골고루 인가될 수 있다.In general, the compression repulsion force in the second central area CA2 of the cell stack 122 is greater than that in the third and fourth peripheral areas PA3 and PA4. Therefore, in the fuel cell 100 according to the embodiment, the amount of heat generated by the first fastening member 130-1 disposed on the side where the compression repulsive force is greater in the cell stack 122 is the second and third It is greater than the amount of heat generated by the fastening members 130-2 and 130-3. Accordingly, when the cell stack 122 expands at a high temperature, a larger compression repulsion force applied to the components disposed in the second central area CA2 of the cell stack 122 is applied to the second and third fastening members 130 It may be offset by the first fastening member 130-1 that expands larger than the -2, 130-3). After all, even if the compression repulsion force in the second central area CA2 and the compression repulsion force in the third and fourth peripheral areas PA3 and PA4 are different from each other, the second central area CA2 and the third and fourth peripheral areas The fastening surface pressure can be applied evenly to the parts arranged on the (PA3, PA4) without being excessively applied.

이하, 비교례 및 실시 예에 의한 연료 전지를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.Hereinafter, a fuel cell according to a comparative example and an embodiment will be described with reference to the accompanying drawings.

도 5a는 비교 례에 의한 연료 전지에 포함되는 체결 부재(30)의 사시도를 나타내고, 도 5b는 도 5a에 도시된 체결 부재(30)를 Ⅱ-Ⅱ’선을 따라 절개한 단면도이다.5A is a perspective view illustrating a fastening member 30 included in a fuel cell according to a comparative example, and FIG. 5B is a cross-sectional view of the fastening member 30 shown in FIG. 5A taken along line II-II'.

전술한 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 체결 부재(130)와 달리 비교 례에 의한 연료 전지의 체결 부재(30)는 체결 몸체(132)만을 포함한다. 이를 제외하면, 비교 례에 의한 연료 전지의 셀 스택 및 엔드 플레이트는 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 셀 스택(122) 및 제1 및 제2 엔드 플레이트(110A, 110B)와 각각 동읽한 것으로 가정한다.Unlike the fastening member 130 of the fuel cell 100 according to the above-described embodiment, the fastening member 30 of the fuel cell according to the comparative example includes only the fastening body 132. Except for this, the cell stack and the end plate of the fuel cell according to the comparative example are the same as the cell stack 122 and the first and second end plates 110A and 110B of the fuel cell 100 according to the embodiment, respectively. I assume.

비교 례의 경우, 체결 부재(30)가 체결 몸체(132)만을 갖기 때문에, 비교 례의 체결 부재(30)의 길이는 온도에 따라 변하지 않고 고정된다. 이로 인해, 셀 스택(122)이 고온에서 운전하는 고온 운전 조건에서, 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)이 반복되어 적층된 셀 스택(122)의 내압 즉, 체결 면압이 과도하게 증가하여, 연료 전지의 내구 성능이 저하될 수 있다.In the case of the comparative example, since the fastening member 30 has only the fastening body 132, the length of the fastening member 30 of the comparative example is fixed without changing according to the temperature. Accordingly, in a high-temperature operation condition in which the cell stack 122 is operated at a high temperature, the internal pressure of the cell stack 122 in which the plurality of unit cells 122-1 to 122-N are repeatedly stacked, that is, the fastening surface pressure, is excessive. Increases, the durability performance of the fuel cell may be deteriorated.

반면에, 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 경우, 셀 스택(122)이 고온에서 운전하는 고온 운전 조건에서, 반응 셀의 길이가 증가한 만큼 체결 부재(130)의 길이가 증가하도록 제어부(160)가 체결 부재(130)의 발열량을 제어한다. 이로 인해, 고온 운전 조건에서 체결 부재(30)의 길이가 변하기 않고 고정된 비교예 대비, 셀 스택(122)의 체결 면압이 과도하게 증가하지 않는다.On the other hand, in the case of the fuel cell 100 according to the embodiment, the control unit 160 so that the length of the fastening member 130 increases as the length of the reaction cell increases under a high temperature operation condition in which the cell stack 122 operates at a high temperature. ) Controls the amount of heat generated by the fastening member 130. For this reason, the length of the fastening member 30 is not changed under the high-temperature operation condition, and the fastening surface pressure of the cell stack 122 does not increase excessively compared to the fixed comparative example.

도 6은 비교 례에 의한 연료 전지에서 셀 스택의 온도 변화에 따른 체결력을 나타내는 그래프로서, 횡축은 온도를 나타내고, 종축은 체결력을 나타낸다. 도 6에 도시된 그래프는 분리판(242, 244)과 가스 확산층(222, 224)을 조합하여, 셀 스택(122)을 가압한 후 감압하여 얻은 결과이다.6 is a graph showing a fastening force according to a temperature change of a cell stack in a fuel cell according to a comparative example, in which the horizontal axis represents temperature and the vertical axis represents the fastening force. The graph shown in FIG. 6 is a result obtained by combining the separation plates 242 and 244 and the gas diffusion layers 222 and 224 to pressurize the cell stack 122 and then reduce the pressure.

비교 례의 경우 체결 프레스를 이용하여 일정 면압 하에서 체결 부재(30)를 이용하여 셀 스택(122)을 압축 체결하면, 셀 스택(122)의 적층 방향(예를 들어, x축 방향)의 변위는 고정된다. 이 상태에서, 셀 스택(122)의 내부 면압을 증가(즉, 가압)시킨 후 감소(즉, 감압)시킨 면압 변동 환경에서, 도 6에 도시된 바와 같은 압축 거동 결과가 획득된다.In the case of the comparative example, when the cell stack 122 is compressed and fastened using the fastening member 30 under a certain surface pressure using a fastening press, the displacement of the cell stack 122 in the stacking direction (for example, the x-axis direction) is It is fixed. In this state, in a surface pressure fluctuation environment in which the inner surface pressure of the cell stack 122 is increased (ie, pressurized) and then decreased (ie, depressurized), a compression behavior result as shown in FIG. 6 is obtained.

도 6을 참조하면, 복수의 단위 셀(122-1 내지 122-N)이 적층되어 반복되는 부품의 특성에 의해, 셀 스택(122)이 고온에서 운전하여 셀 스택(122)이 가압된 후, 셀 스택(122)을 냉각하여 감압될 때, 면압 저하가 발생한다. 왜냐하면, 비교 례에 의한 연료 전지가 고온에서 동작할 때 과도한 체결 면압이 셀 스택(122)에 인가되어, 셀 스택(122)에 포함된 각 단위 셀(122-n)의 구성 부품이 과도하게 압축되어 그의 소성이 변하는 등 복원력이 손상된 이후, 저온에서 동작할 때 손상된 복원력에 기인하여 체결력이 저하되기 때문이다. 도 6에 도시된 바와 같이 4가지 비교 례(CASE 1 내지 CASE 4)에서 셀 스택(122)의 고온 동작 이후에 저온 동작할 경우, 체결력이 저하됨을 알 수 있었다.Referring to FIG. 6, after the cell stack 122 is operated at a high temperature and the cell stack 122 is pressurized due to the characteristic of the repeating component by stacking a plurality of unit cells 122-1 to 122-N, When the cell stack 122 is cooled to reduce pressure, a decrease in surface pressure occurs. Because, when the fuel cell according to the comparative example operates at a high temperature, excessive tightening surface pressure is applied to the cell stack 122, so that the constituent parts of each unit cell 122-n included in the cell stack 122 are excessively compressed. This is because the fastening force is lowered due to the damaged restoring force when operating at a low temperature after the restoring force is damaged, such as changing its plasticity. As shown in FIG. 6, in the case of low temperature operation after the high temperature operation of the cell stack 122 in the four comparative examples (CASE 1 to CASE 4), it was found that the fastening force was lowered.

결국, 반복적인 반응면 면압의 변동에 따라, 반응면의 면압 저하가 발생하고, 면압 저하로 인해 셀 스택(122)의 내부 저항이 증가하기 때문에, 비교례에 의한 연료 전지의 스택 성능은 악화될 수 있다.Eventually, according to the repetitive fluctuations of the surface pressure of the reaction surface, a decrease in the surface pressure of the reaction surface occurs, and the internal resistance of the cell stack 122 increases due to the decrease in the surface pressure, so that the stack performance of the fuel cell according to the comparative example is deteriorated. I can.

그러나, 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 경우, 셀 스택(122)이 고온에서 동작할 때 체결 부재(130)도 함께 열 팽창함으로써, 셀 스택(122)의 단위 셀(122-1 내지 122-N)에 과도한 체결 면압이 인가되지 않는다. 이러한 사유로, 셀 스택(122)에 포함된 단위 셀(122-1 내지 122-N)의 구성 부품의 과압축 및 소성 변형이 방지되어 복원력이 손상되지 않기 때문에, 셀 스택(122)의 고온 동작 이후에 저온 동작할 경우, 체결력이 저하됨이 방지될 수 있다.However, in the case of the fuel cell 100 according to the embodiment, when the cell stack 122 operates at a high temperature, the fastening member 130 also thermally expands, so that the unit cells 122-1 to 122 of the cell stack 122 Excessive tightening surface pressure is not applied to -N). For this reason, since overcompression and plastic deformation of the constituent parts of the unit cells 122-1 to 122-N included in the cell stack 122 are prevented and the restoring force is not damaged, the high temperature operation of the cell stack 122 When the operation is performed at a low temperature afterwards, it can be prevented that the fastening force is lowered.

이와 같이, 체결력이 저하되지 않기 때문에, 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 셀 스택(122)은 상온이나 저온 환경 조건에서 셀 스택(122)의 각 단위 셀(122-n)의 부품들이 손상되지 않아, 우수한 기밀성을 가질 수 있다.In this way, since the fastening force is not lowered, the cell stack 122 of the fuel cell 100 according to the embodiment damages the components of each unit cell 122-n of the cell stack 122 under room temperature or low temperature environmental conditions. Does not work, and can have excellent airtightness.

도 7은 비교 례 및 실시 예에 의한 온도별 체결 면압을 나타내는 그래프로서, 횡축은 온도를 나타내고, 종축은 체결 면압을 나타낸다.7 is a graph showing the fastening surface pressure by temperature according to the comparative examples and examples, wherein the horizontal axis represents temperature, and the vertical axis represents the fastening surface pressure.

도 7을 참조하면, 제1 비교 례(310)의 경우 셀 스택(122)의 운전 영역의 온도 범위(이하, ‘스택 운전 온도 영역’이라 함)인 T1 내지 T2에서 체결 면압이 적정 체결 면압의 범위인 P1 내지 P2를 벗어남을 알 수 있다. 예를 들어, T1은 60℃이고, T2는 70℃이고, P1은 1 MPa이고, P2는 1.5 MPa일 수 있다. 이와 같이, P2 이상의 과도한 체결 면압에 노출되어, 제1 비교 례(310)에 의한 연료 전지에서 반복되어 적층되는 부품의 소성변형이 발생할 수 있다.Referring to FIG. 7, in the case of the first comparative example 310, in the temperature range of the operating region of the cell stack 122 (hereinafter referred to as the'stack operation temperature region'), T1 to T2, the fastening surface pressure is equal to the appropriate fastening surface pressure. It can be seen that it is out of the range P1 to P2. For example, T1 may be 60°C, T2 may be 70°C, P1 may be 1 MPa, and P2 may be 1.5 MPa. In this way, by being exposed to an excessive fastening surface pressure of P2 or more, plastic deformation of the repeatedly stacked components in the fuel cell according to the first comparative example 310 may occur.

제2 비교 례(320)의 경우, T1 내지 T2의 스택 운전 온도 영역에서 과도한 체결 면압을 방지하게 위해, 초기에 체결 면압을 감소시켰다. 그러나, 이 경우, 스택 운전 온도 영역(T1 내지 T2)에서의 체결 면압이 적정 체결 면압(P1 내지 P2) 이하로 감소하여 셀 스택(122)의 성능이 악화됨을 알 수 있다.In the case of the second comparative example 320, in order to prevent excessive tightening surface pressure in the stack operation temperature range of T1 to T2, the tightening surface pressure was initially reduced. However, in this case, it can be seen that the performance of the cell stack 122 is deteriorated because the fastening surface pressure in the stack operation temperature regions T1 to T2 is reduced to less than the appropriate fastening surface pressures P1 to P2.

제3 비교 례(330)의 경우도 제2 비교 례(320)에서와 같이, 스택 운전 온도 영역(T1 내지 T2)에서 과도한 체결 면압을 방지할 수 있으나, 스택 운전 온도 영역(T1 내지 T2)에서 적정 체결 면압(P1 내지 P2)을 벗어나는 구간이 발생함을 알 수 있다.In the case of the third comparative example 330, as in the second comparative example 320, excessive tightening surface pressure can be prevented in the stack operation temperature regions T1 to T2, but in the stack operation temperature regions T1 to T2. It can be seen that a section out of the proper tightening surface pressure (P1 to P2) occurs.

반면에, 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 경우(340), 셀 스택(122)이 고온에서 운전하여 체결 면압이 과도하게 증가할 때, 반응셀의 길이(LC)가 증가한 만큼 발열부(134)를 이용하여 체결 몸체(132)를 열팽창시켜 그(132)의 길이(LF)를 증가시킨다. 따라서, 스택 운전 온도 영역(T1 내지 T2)에서 연료 전지(100)의 셀 스택(122)에 과도한 체결 면압이 인가됨이 방지될 수 있다.For the other hand, the fuel cell 100 according to Example 340, to increase the cell stack 122 is excessive tightening surface pressure by operating at a high temperature, the heat generating portion by the length (L C) of the reaction cell, up By using (134) to thermally expand the fastening body 132 to increase the length (L F) of the (132). Accordingly, it is possible to prevent excessive fastening surface pressure from being applied to the cell stack 122 of the fuel cell 100 in the stack operation temperature regions T1 to T2.

결국, 실시 예에 의한 연료 전지(100)의 경우, 셀 스택(122)의 스택 운전 온도 영역에서 체결 부재(130)의 온도 제어를 통하여 발열량을 제어함으로써, 셀 스택(122)이 적정 체결 면압(P1 내지 P2)을 유지(A)함을 알 수 있다. 이로 인해, 연료 전지(100)의 온도에 따른 체결 면담의 적정하게 P1 내지 P2에서 유지되는 우수한 성능을 갖는다.As a result, in the case of the fuel cell 100 according to the embodiment, by controlling the amount of heat generated through the temperature control of the fastening member 130 in the stack operation temperature region of the cell stack 122, the cell stack 122 has an appropriate fastening surface pressure ( It can be seen that P1 to P2) are maintained (A). For this reason, it has excellent performance that is properly maintained at P1 to P2 of the fastening interview according to the temperature of the fuel cell 100.

전술한 다양한 실시 예들은 본 발명의 목적을 벗어나지 않고, 서로 상반되지 않은 한 서로 조합될 수도 있다. 또한, 전술한 다양한 실시 예들 중에서 어느 실시 예의 구성 요소가 상세히 설명되지 않은 경우 다른 실시 예의 동일한 참조부호를 갖는 구성 요소에 대한 설명이 준용될 수 있다.The various embodiments described above may be combined with each other as long as they are not contradictory to each other without departing from the object of the present invention. In addition, if a constituent element of one embodiment is not described in detail among the various embodiments described above, a description of the constituent element having the same reference numeral of another embodiment may apply mutatis mutandis.

이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments have been described above, but these are only examples and do not limit the present invention, and those of ordinary skill in the field to which the present invention belongs are not exemplified above without departing from the essential characteristics of the present embodiment. It will be seen that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified and implemented. And differences related to these modifications and applications should be construed as being included in the scope of the present invention defined in the appended claims.

100: 연료 전지 110A, 110B: 엔드 플레이트
122: 셀 스택 130, 130-1 내지 130-3: 체결 부재
132 체결 몸체 134, 134A, 134B: 발열부
136: 단열부 138: 온도 센서
140: 집전 단자 150: 절연판
160: 제어부 210: 막전극 접합체
212: 고분자 전해질막 214: 연료극
216: 공기극 222, 224: 가스 확산층
232, 234, 236: 개스킷 242, 244: 분리판100: fuel cell 110A, 110B: end plate
122: cell stack 130, 130-1 to 130-3: fastening member
132 Fastening body 134, 134A, 134B: heating part
136: insulation 138: temperature sensor
140: current collecting terminal 150: insulating plate
160: control unit 210: membrane electrode assembly
212: polymer electrolyte membrane 214: anode
216: cathode 222, 224: gas diffusion layer
232, 234, 236: gasket 242, 244: separator

Claims (19)

복수의 단위 셀이 제1 방향으로 적층된 셀 스택;
상기 셀 스택의 양단부에 각각 배치된 제1 및 제2 엔드 플레이트;
상기 제1 및 제2 엔드 플레이트와 결합하여 상기 복수의 단위 셀을 상기 제1 방향으로 체결하며, 제어 신호에 응답하여 발열하는 적어도 하나의 체결 부재; 및
상기 셀 스택의 온도에 따라 상기 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함하는 연료 전지.A cell stack in which a plurality of unit cells are stacked in a first direction;
First and second end plates respectively disposed at both ends of the cell stack;
At least one fastening member coupled to the first and second end plates to fasten the plurality of unit cells in the first direction and generate heat in response to a control signal; And
A fuel cell comprising a control unit generating the control signal according to the temperature of the cell stack. 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 체결 부재는
체결 몸체;
상기 체결 몸체를 둘러싸도록 배치된 발열부; 및
상기 발열부를 둘러싸도록 배치된 단열부를 포함하는 연료 전지.The method of claim 1, wherein the at least one fastening member
Fastening body;
A heating unit disposed to surround the fastening body; And
A fuel cell comprising a heat insulating portion disposed to surround the heating portion. 제2 항에 있어서, 상기 체결 몸체는 금속 물질을 포함하는 연료 전지.The fuel cell according to claim 2, wherein the fastening body comprises a metallic material. 제3 항에 있어서, 상기 금속 물질은 스틸, 알루미늄, 구리 또는 마그네슘 중 적어도 하나를 포함하는 연료 전지.The fuel cell of claim 3, wherein the metallic material comprises at least one of steel, aluminum, copper, and magnesium. 제2 항에 있어서, 상기 발열부는
상기 제1 방향에서 상기 제1 엔드 플레이트와 상기 제2 엔드 플레이트 사이에 배치된 연료 전지.The method of claim 2, wherein the heating unit
A fuel cell disposed between the first end plate and the second end plate in the first direction. 제2 항에 있어서, 상기 발열부는 면상 또는 선상의 저항 패턴을 갖는 연료 전지.The fuel cell according to claim 2, wherein the heating unit has a resistance pattern in a plane or a line shape. 제6 항에 있어서, 상기 저항 패턴의 발열량은 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트로부터 멀어질수록 감소하는 연료 전지.The fuel cell of claim 6, wherein the amount of heat generated by the resistance pattern decreases as the distance from the first and second end plates increases. 제7 항에 있어서, 상기 발열량의 감소는 선형적인 연료 전지.The fuel cell of claim 7, wherein the reduction in the amount of heat generated is linear. 제7 항에 있어서, 상기 발열량의 감소는 비선형적인 연료 전지.8. The fuel cell of claim 7, wherein the decrease in the amount of heat generated is non-linear. 제9 항에 있어서, 상기 발열부는
상기 제1 방향으로 상기 셀 스택의 중앙 영역에 위치한 제1 발열 섹터; 및
상기 제1 방향으로 상기 제1 발열 섹터보다 상기 제1 및 제2 엔드 플레이트에 더 가깝게 위치한 제2 발열 섹터를 포함하고,
상기 제2 발열 섹터의 발열량은 상기 제1 발열 섹터의 발열량보다 큰 연료 전지.The method of claim 9, wherein the heating unit
A first heat generating sector located in a central area of the cell stack in the first direction; And
And a second heat generating sector located closer to the first and second end plates than the first heat generating sector in the first direction,
The fuel cell has a heating value of the second heating sector greater than that of the first heating sector. 제2 항에 있어서, 상기 발열부는 금속계 또는 세라믹계 소재를 포함하는 연료 전지.The fuel cell of claim 2, wherein the heating unit includes a metal-based or ceramic-based material. 제2 항에 있어서, 상기 발열부는 50Ω 내지 100Ω의 전기저항을 갖는 연료 전지.The fuel cell of claim 2, wherein the heating unit has an electrical resistance of 50 Ω to 100 Ω. 제2 항에 있어서, 상기 발열부는 상기 셀 스택의 작동 전압이 250V 내지 400V일 때 400W 내지 1600W의 발열량을 갖는 연료 전지.The fuel cell of claim 2, wherein the heating unit has a heating value of 400W to 1600W when the operating voltage of the cell stack is 250V to 400V. 제2 항에 있어서, 상기 발열부는
상기 제1 및 제2 엔드 플레이트 사이에서 상기 체결 몸체를 둘러싸는 발열 몸체; 및
상기 발열 몸체의 양단부에 각각 배치되어 상기 제어 신호와 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전원 연결부를 포함하는 연료 전지.The method of claim 2, wherein the heating unit
A heating body surrounding the fastening body between the first and second end plates; And
A fuel cell comprising first and second power connections disposed at both ends of the heating body and electrically connected to the control signal. 제2 항에 있어서, 상기 단열부는 폴리이미드, 폴리프로필렌 또는 우레탄 중 적어도 하나를 포함하는 연료 전지.The fuel cell of claim 2, wherein the heat insulating portion includes at least one of polyimide, polypropylene, and urethane. 제2 항에 있어서, 상기 발열 몸체와 상기 발열부 사이에 배치되어, 상기 발열부의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 온도 센서에서 감지된 온도를 이용하여 상기 제어 신호를 생성하는 연료 전지.The method of claim 2, further comprising a temperature sensor disposed between the heating body and the heating unit to sense a temperature of the heating unit,
The control unit generates the control signal by using the temperature sensed by the temperature sensor. 제2 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 셀 스택의 온도가 소정 온도 이상일 때, 아래와 같은 수학식을 만족하도록 상기 제어 신호를 생성하는 연료 전지.
Figure pat00003

(여기서, αC는 상기 셀 스택의 열 팽창 계수를 나타내고, TC는 상기 셀 스택의 상기 온도를 나타내고, TO는 상기 소정 온도를 나타내고, LC는 상기 셀 스택의 상기 제1 방향으로의 길이를 나타내고, αF는 상기 체결 몸체의 열 팽창 계수를 나타내고, TF는 상기 체결 몸체의 온도를 나타내고, LF는 상기 체결 몸체의 상기 제1 방향으로의 길이를 나타낸다.)The fuel cell of claim 2, wherein the controller generates the control signal to satisfy the following equation when the temperature of the cell stack is equal to or higher than a predetermined temperature.
Figure pat00003

(Where α C represents the coefficient of thermal expansion of the cell stack, T C represents the temperature of the cell stack, T O represents the predetermined temperature, and L C represents the first direction of the cell stack. Represents the length, α F represents the coefficient of thermal expansion of the fastening body, T F represents the temperature of the fastening body, and L F represents the length of the fastening body in the first direction.) 제17 항에 있어서, 상기 소정 온도는 60℃인 연료 전지.The fuel cell of claim 17, wherein the predetermined temperature is 60°C. 제2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 체결 부재는 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 이격되어 배치된 복수의 체결 부재를 포함하고,
상기 복수의 체결 부재 중에서, 평면상에서 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 상기 셀 스택의 중앙 영역에 배치된 체결 부재의 발열량은 상기 셀 스택의 주변 영역에 배치된 체결 부재의 발열량보다 큰 연료 전지.The method of claim 2, wherein the at least one fastening member comprises a plurality of fastening members spaced apart from each other in a second direction crossing the first direction,
Among the plurality of fastening members, a heating value of a fastening member disposed in a central area of the cell stack in a second direction crossing the first direction in a plane is greater than that of a fastening member disposed in a peripheral area of the cell stack. battery.
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